Способ работы комбинированной энергоустановки

 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к способам работы энергетических установок, предназначенных для выработки электрической энергии, и может быть применено для энергоснабжения объектов, функционирующих без связи с атмосферой. Техническим результатом изобретения является сокращение времени пуска и выхода энергоустановки на номинальную мощность с одновременным повышением эффективности способа работы установки, а также повышение экономичности по запасам рабочих сред и повышение надежности. Согласно изобретению способ включает в себя операции замещения инертного газа из контуров электрохимического генератора (ЭХГ) подачей в них кислорода и водорода, которые подогревают в теплообменных аппаратах жидкостью, циркулирующей в системе термостатирования, осуществления электрохимической реакции с выработкой электрического тока для питания потребителей, причем во время удаления инертного газа электрический ток получают в электрическом генераторе с приводом от двигателя внутреннего сгорания (ДВC), в который подают топливо, окислитель и наполнитель - инертный газ, в том числе удаляемый из контуров ЭХГ, сжигают полученную смесь, а отработанные газы охлаждают с использованием их теплоты для нагрева жидкости в системе термостатирования ЭХГ, очищают в нейтрализаторе и подают в ДВС. 1 ил.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к способам работы энергоустановок, предназначенных для выработки электрической энергии, и может быть применено для энергоснабжения объектов, функционирующих без связи с атмосферой.

Известны способы работы энергоустановок путем получения электрической энергии в электрическом генераторе с приводом от двигателя внутреннего сгорания (ДВС), в который подают топливо, окислитель и наполнитель - инертный газ, сжигают полученную смесь с последующим совершением полезной работы, а образующиеся при сгорании продукты очищают в жидкостно-щелочном нейтрализаторе и подают в цилиндры ДВС [1, 2].

Недостатком известных способов [1, 2] является их относительно низкая экономичность по расходам и запасам рабочих сред и продуктов нейтрализации, которые, кроме того, необходимо еще и утилизировать, особенно при увеличении периода автономной работы при полной изоляции от атмосферы. Однако время пуска и приема номинальной нагрузки таких энергоустановок не превышает десятков секунд.

Известен способ работы энергоустановки путем замещения инертного газа из контуров электрохимического генератора (ЭХГ) подачей в них кислорода и водорода, которые подогреваются до оптимальных температур жидкостью, циркулирующей в системе термостатирования; осуществления электрохимической реакции с образованием воды и получением электрической энергии [3] - принятой за наиболее близкий аналог.

Недостатком известного способа работы энергоустановки является относительно длительное время запуска и выхода на номинальную мощность (1 - 2 час). Для сокращения времени запуска энергоустановки, реализующей известный способ работы, требуются дополнительные энергозатраты для поддержания температуры в ЭХГ в диапазоне от 80 до 100^oC за счет электроподогрева воды системы термостатирования, как схемно решено в известном способе.

Другим недостатком известного способа работы энергоустановки является то обстоятельство, что удаленный из контуров ЭХГ инертный газ не используется, а просто хранится на объекте, занимая определенные объемы, что снижает экономичность способа в целом.

Задачей предлагаемого изобретения является сокращение времени пуска и выхода энергоустановки на номинальную мощность с одновременным повышением эффективности работы энергоустановки, а также повышение экономичности по запасам рабочих сред и повышение надежности.

Предлагается способ работы комбинированной энергоустановки путем замещения инертного газа из контуров ЭХГ подачей в них кислорода и водорода, которые подогреваются до оптимальных температур в рекуперативных теплообменных аппаратах жидкостью, циркулирующей в системе термостатирования, осуществления электрохимической реакции с образованием воды и выработкой электрического тока для питания потребителей, отличающийся тем, что во время удаления инертного газа и подогрева кислорода и водорода электрический ток для питания потребителей получают в электрическом генераторе с приводом от ДВС, в который подают топливо (водород или жидкое углеводородное), кислород и наполнитель - инертный газ, в том числе, удаляемый из контуров ЭХГ, сжигают полученную смесь с последующим совершением полезной работы, а образующиеся при сгорании отработанные газы охлаждают в рекуперативном теплообменном аппарате с использованием их теплоты для нагрева жидкости в системе термостатирования ЭХГ, очищают в жидкостно-щелочном нейтрализаторе и подают в цилиндры ДВС.

Такое техническое решение позволяет сократить время пуска и выхода на номинальную мощность энергоустановки с 1,5 - 2,0 часов до нескольких десятков секунд с одновременным повышением эффективности за счет использования в ДВС инертного газа, удаляемого из контуров ЭХГ, подогрева жидкости в системе термостатирования ЭХГ отбросной теплотой продуктов сгорания ДВС, а также повышением надежности и экономичности по запасам расходных сред.

Из существующего уровня техники не известны способы работы комбинированных энергоустановок путем подачи инертного газа из контуров ЭХГ в ДВС и подогрева жидкости в системе термостатирования ЭХГ за счет утилизации теплоты отработавших газов (ОГ) ДВС.

На чертеже изображена схема комбинированной энергоустановки, реализующей предлагаемый способ работы.

Комбинированная энергоустановка содержит ЭХГ 1, систему хранения и подачи кислорода с источником кислорода 2, подогревателем 3 и запорно-регулирующей арматурой 4, 5, 6; систему хранения и подачи водорода с источником водорода 7, подогревателем 8 и запорно-регулирующей арматурой 9, 10, 11; систему хранения и подачи инертного газа (например, азота) с емкостью запаса инертного газа 12 и запорно-регулирующей арматурой 13, 14, 15, 16; систему термостатирования с емкостью запаса воды 17, циркуляционным насосом 18 и запорно-регулирующей арматурой 19, 20. Комбинированная энергоустановка содержит также рекуперативный теплообменный аппарат (ТА) 21, причем жидкостной контур ТА 21 включен в систему термостатирования между баком 17 и насосом 18, а газовый контур, соответственно, в выпускную систему дизель-генератора (ДГ) 22 между выхлопным коллектором 23 и жидкостно-щелочным нейтрализатором 24; кроме того, в выпускной системе ДГ 22 установлен сепаратор капельной влаги 25 и запорно-регулирующая арматура 26, 27, 28, 29, 30, 31. Выпускная система ДГ 22 соединена через смеситель 32 со впускной системой, которая, в свою очередь, соединена через запорно-регулирующую арматуру 33, 34, 35, соответственно, с источником кислорода 2, водорода 7, инертного газа 12 и с атмосферой. Жидкостно-щелочной нейтрализатор 24, кроме того, имеет щелочной контур, включающий бак запаса щелочи 37, циркуляционный насос 38 и емкость для удаления твердых продуктов нейтрализации 39.

Представленная на чертеже комбинированная энергоустановка работает следующим образом. Первоначально в течение нескольких десятков секунд запускается и принимает нагрузку ДГ 22. При этом возможны два режима запуска. Режим N 1 (открыты запорно-регулирующие органы 10, 26, 27, 29, 33, 36 и закрыты, соответственно, - 9, 28, 30, 31, 34, 35) - ДГ 22 сообщен с атмосферой, поэтому воздух на горение топлива забирается из атмосферы и туда же удаляются ОГ. Режим N 2 (открыты запорно-регулирующие органы 5, 10, 13, 14, 15, 16, 26, 27, 30, 31, 33, 34, 35 и закрыты, соответственно, - 28, 29, 36) - ДГ 22 изолирован от атмосферы и работает по замкнутому циклу. В качестве топлива при работе ДГ 22 в любом режиме может использоваться водород, поступающий из источника 7 (как показано на схеме) либо жидкое углеводородное топливо, подаваемое из дополнительного бака (на схеме не показан). При работе в режиме N 2 в качестве наполнителя для ДВС используется поступающий из системы ЭХГ инертный газ.

Высокотемпературные ОГ, образующиеся при сгорании топлива в цилиндрах ДВС ДГ 22, поступают в газовый контур ТА 21, где охлаждаются, нагревая при этом циркулирующую в жидкостном контуре ТА воду системы термостатирования ЭХГ 1. После чего ОГ удаляются в атмосферу (режим N 1) либо поступают в нейтрализатор 24 (режим N 2), где при взаимодействии с подаваемой насосом 38 из бака 37 щелочью происходит связывание части двуокиси углерода (CO₂) с образованием твердого продукта, который удаляется в емкость 39. Далее ОГ поступают в сепаратор 25, где из них выделяют капельную влагу. После чего очищенные ОГ поступают в смеситель, где, смешиваясь с кислородом, поступающим из источника 2, и (если ДВС работает на водороде) водородом, поступающим из источника 7, а также инертным газом, поступающим из контуров ЭХГ, путем открытия запорно-регулирующих органов 14, 15, 16, образуют искусственную газовую смесь (ИГС), которая поступает в цилиндры ДВС ДГ 22.

ДГ 22 функционирует в режиме N 1 или N 2 в течение не более 1 часа, за это время происходит пуск ЭХГ 1, завершающийся выходом на номинальную мощность, который заключается, во-первых, в заполнении контуров ЭХГ реагентами (O₂ и H₂) путем открытия запорно-регулирующих органов 6, 11, т.к. в период бездействия водородный и кислородный контура ЭХГ заполнены инертным газом, например азотом, который необходимо удалить из систем, при этом удаляемый инертный газ используется в качестве наполнителя для ДВС; во-вторых, в нагревании циркулирующей через жидкостный контур ТА 21 воды системы термостатирования до оптимальной температуры 80 - 100^oC, являющейся рабочей температурой ТА 21, в котором осуществляется прогрев воды системы термостатирования ЭХГ, за счет бросовой теплоты ОГ ДГ повышается эффективность пуска ЭХГ.

После этого выводится из действия (останавливается) ДГ 22 путем прекращения подачи топлива и окислителя (закрытия запорно-регулирующих органов 33, 34) и отключается ТА 21 (закрываются органы 26, 27).

Затем в течение всего оставшегося времени периода полной изоляции объекта от атмосферы энергоснабжение осуществляется от работающего ЭХГ 1, который потребляет гораздо меньше (по сравнению с ДГ 22) топлива и особенно окислителя (в 2 - 3 раза). При этом ДГ 22 остается резервным источником энергии объекта и, в случае выхода из строя ЭХГ 1 вследствие каких-либо неисправностей, вводится в действие за секунду и обеспечивает энергоснабжение объекта, что повышает надежность способа работы комбинированной энергоустановки в целом.

Таким образом, предлагаемый способ работы комбинированной энергоустановки за счет дополнительной операции - подачи инертного газа, удаляемого из контуров ЭХГ, в ДВС, а также осуществления подогрева жидкости в системе термостатирования за счет утилизации теплоты продуктов сгорания ДВС позволяет сократить время пуска и приема номинальной нагрузки с 1,5 - 2 часов до нескольких десятков секунд с одновременным повышением эффективности, экономичности и надежности работы.

Использованные источники 1. Авторское свидетельство СССР N 1206451, кл. F 01 N 3/08, 1983.

2. Патент США N 3779013, кл. 123-3, 1973.

3. G.Sattier. Air Independent Propulsion Sistem For Submarines. //Naval Forces, 1989, march, p. 71-74.

Формула изобретения

Способ работы комбинированной энергоустановки путем замещения инертного газа из контуров электрохимического генератора подачей в них кислорода и водорода, которые подогреваются до оптимальных температур в рекуперативных теплообменных аппаратах жидкостью, циркулирующей в системе термостатирования, осуществления электрохимической реакции с образованием воды и выработкой электрического тока для питания потребителей, отличающийся тем, что во время удаления инертного газа и подогрева кислорода и водорода электрический ток для питания потребителей получают в электрическом генераторе с приводом от двигателя внутреннего сгорания, в который подают топливо - водород или жидкое углеводородное, кислород и наполнитель - инертный газ, в том числе удаляемый из контуров электрохимического генератора, сжигают полученную смесь с последующим совершением полезной работы, а образующиеся при сгорании отработанные газы охлаждают в рекуперативном теплообменном аппарате с использованием их теплоты для нагрева жидкости в системе термостатирования электрохимического генератора, очищают в жидкостно-щелочном нейтрализаторе и подают в цилиндры двигателя внутреннего сгорания.

РИСУНКИ

Рисунок 1